張華民，項(xiàng)培云，蔣福海

(四川自貢硬質(zhì)合金有限責(zé)任公司，四川自貢643011)

碳化鎢粉是生產(chǎn)硬質(zhì)合金的主要原料，制備優(yōu)質(zhì)的硬質(zhì)合金需要性能優(yōu)良的碳化鎢。采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的中細(xì)顆粒碳化鎢，普遍存在多晶和團(tuán)聚現(xiàn)象，這種多晶和團(tuán)聚的直徑遠(yuǎn)大于正常顆粒，會(huì)在合金中形成粗大晶粒［1-5］，因此需要進(jìn)行各種方式破碎，使粉末更均勻。

采用球磨的方法對(duì)細(xì)顆粒碳化鎢進(jìn)行破碎是目前行業(yè)應(yīng)用較多的加工方式，但破碎效率和粉末質(zhì)量受到限制；氣流粉碎分級(jí)作為一種新型高效的破碎方式同時(shí)具備粉碎和分級(jí)的功能，目前主要用于超細(xì)和亞細(xì)顆粒碳化鎢的加工，國(guó)內(nèi)對(duì)氣流粉碎分級(jí)在超細(xì)碳化鎢生產(chǎn)中的應(yīng)用研究較多［6-7］，但對(duì)于1.0μm以上細(xì)顆粒的氣流粉碎分級(jí)以及與球磨法的對(duì)比研究還未見公開報(bào)道。氣流粉碎分級(jí)是用高壓氣體通過超音速噴嘴加速成超音速的氣流，射入對(duì)撞粉碎區(qū)，使物料流態(tài)化。物料顆粒在高速氣流動(dòng)能的作用下被加速，在噴嘴射流的交匯點(diǎn)發(fā)生相互碰撞、磨擦而達(dá)到粉碎目的。被粉碎的物料隨上升氣流傳送到分級(jí)區(qū)，高速旋轉(zhuǎn)的分級(jí)輪產(chǎn)生強(qiáng)大的離心場(chǎng)，粒子在離心場(chǎng)受離心力和氣流粘性作用產(chǎn)生的向心力兩個(gè)力的作用，當(dāng)粒子受到離心力大于向心力，即分級(jí)徑以上的粗粒子返回粉碎室繼續(xù)沖擊粉碎，分級(jí)徑以下的細(xì)粒子隨氣流進(jìn)入旋風(fēng)分離器、捕集器收集。這種粉碎過程物料可以實(shí)現(xiàn)較充分的破碎和粗細(xì)分離［8］，而傳統(tǒng)的球磨是一種球與物料的沖擊和研磨破碎，物料與球接觸機(jī)會(huì)受到一定限制，始終存在部分顆粒未充分破碎，而在后續(xù)過篩時(shí)也難完全分離。同球磨過篩工藝相比，氣流粉碎分級(jí)具有生產(chǎn)效率高、可連續(xù)操作、粉碎程度高和雜質(zhì)含量低等優(yōu)點(diǎn)，也是碳化鎢破碎技術(shù)的發(fā)展方向。

本文對(duì)兩種破碎方式所生產(chǎn)的細(xì)顆粒碳化鎢的性能和合金質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，初步探討球磨與氣流粉碎工藝對(duì)碳化鎢質(zhì)量的影響，為氣流粉碎分級(jí)技術(shù)在細(xì)碳化鎢的生產(chǎn)應(yīng)用上提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 原料

兩種粉碎方式所需的碳化鎢原料采用相同的鎢粉和碳化工藝制備，其性能符合碳化鎢國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4295-2018要求。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

球磨設(shè)備型號(hào)為764YS-555，內(nèi)襯硬質(zhì)合金；氣流粉碎分級(jí)設(shè)備型號(hào)為YQF-260，采用空氣為粉碎介質(zhì)。

1.3 分析設(shè)備

ZEISS EVO18掃描電鏡、Rigaku D/max 2500型X射線衍射儀、MASTERSIZER 2000型激光粒度分布儀、Fisher Scientitic 95型平均粒度儀、Monosorb比表面儀等。

1.4 試驗(yàn)方案

細(xì)顆粒碳化鎢分為A、B兩組，其中A組采用球磨法，在固定球料比的條件下，通過調(diào)整球磨時(shí)間以達(dá)到不同的球磨效果，球磨后的粉末經(jīng)過孔徑75μm過篩；B組采用氣流粉碎分級(jí)法，在保持粉碎介質(zhì)氣體流速一定的條件下，通過改變分級(jí)輪轉(zhuǎn)速以控制出料的粒度，方案見表1。

所制備合金試樣含鈷8%，氫氣燒結(jié)溫度1430℃。

表1 碳化鎢球磨和氣流粉碎分級(jí)試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 粒徑與比表面積分析

對(duì)各組樣品的FSSS粒度、BET和松裝密度測(cè)定結(jié)果見表2。表征碳化鎢粒度的常用方法是采用費(fèi)氏儀測(cè)定粉末的平均粒度，但對(duì)于較細(xì)的碳化鎢因粉末中團(tuán)聚粒子的存在需要采用氮吸附法測(cè)定比表面積即BET值；粉末流動(dòng)性也是重要的物理性能，它與粉末的顆粒形貌、粒度和分散性相關(guān)，在工業(yè)上以松裝密度來表示流動(dòng)性。從表2可以看出，球磨法生產(chǎn)的碳化鎢費(fèi)氏粒度高于氣流粉碎分級(jí)法，試樣A-1比B-2粒度高42.4%，說明氣流粉碎分級(jí)有利于生產(chǎn)粒度更細(xì)的碳化鎢。比表面積結(jié)果表明氣流粉碎分級(jí)生產(chǎn)的碳化鎢表面積更大、粒度更細(xì)，且這種趨勢(shì)隨分級(jí)輪轉(zhuǎn)速增加而變得更明顯；試樣B-2比A-1的BET高出109.3%，其變化幅度超過費(fèi)氏粒度，這是因?yàn)闅饬鞣鬯槭狗勰┲械亩鄶?shù)團(tuán)聚顆粒被分散的緣故，而采用球磨法很難達(dá)到這個(gè)效果。表征粉末流動(dòng)性的松裝密度在兩種粉碎方式上也有差異，總體看是氣流粉碎高于球磨法。

表2 粉末性能分析

2.2 粒度分布

粉末的粒度分布是體現(xiàn)粉末質(zhì)量的重要指標(biāo)，作為硬質(zhì)合金原料的碳化鎢，要求粒度呈正態(tài)分布，分布范圍窄。本試驗(yàn)以激光粒度儀分析碳化鎢的供應(yīng)態(tài)粒度分布，參照公式(1)對(duì)氣流粉碎分級(jí)法的理論切割粒徑進(jìn)行計(jì)算，并與粒度分布進(jìn)行對(duì)比，以此判定分級(jí)效果，結(jié)果見表3和圖1。為了對(duì)比方便，將切割粒徑換算為μm。

式中：dr：分級(jí)粒徑，也叫切割粒徑(m)；δ：碳化鎢的密度(kg/m3)；ρ：空氣的密度(kg/m3)；n：渦輪轉(zhuǎn)速(r/min)；r：渦輪平均半徑(m)；η：空氣粘度(pa·s)；Vr：氣流速度(m/s)。

從表3和圖1可以看出，球磨法的激光粒度D10、D50、D90均大于氣流粉碎分級(jí)法，且都存在10 μm以上的顆粒，3小時(shí)球磨樣的粗顆粒含量更加明顯。氣流粉碎分級(jí)法在轉(zhuǎn)速4800 r/min的樣品中還有部分10μm以上的顆粒，D90也大于切割粒徑dr；經(jīng)過7200 r/min高頻高速分級(jí)的試樣B-2的D90已經(jīng)小于切割粒徑dr，最大粒徑小于4.0μm，這種粉末呈現(xiàn)分散性好、粒度分布高度集中的狀態(tài)。從分布的離散性即徑距看，也是氣流粉碎分級(jí)法優(yōu)于球磨法。延長(zhǎng)球磨時(shí)間可以使粒度分布相對(duì)集中，但總體粒度仍然比較分散，徑距為1.42，而高頻高速分級(jí)徑距為1.01，粉末離散性小。

表3 粉末激光粒度分布

圖1 不同粉碎方式粉末的激光粒度分布

2.3 SEM觀測(cè)

通過掃描電鏡可以較好的觀測(cè)到粉末的顆粒尺寸和形貌，圖2是四組樣品的SEM照片，總體看球磨法樣品中出現(xiàn)較多的粘連或聚集顆粒，在短時(shí)間的3小時(shí)球磨樣中出現(xiàn)約10μm較大聚集團(tuán)粒，在氣流粉碎分級(jí)法樣品中聚集顆粒已經(jīng)很少，在高轉(zhuǎn)速分級(jí)樣中，粉末已經(jīng)呈現(xiàn)單顆粒分散狀，還有少數(shù)片狀粒子，說明氣流粉碎分級(jí)后，團(tuán)聚得到較徹底粉碎和分散，碳化鎢粉末多以一次粒子出現(xiàn)。

2.4 衍射分析

各組樣品采用X衍射對(duì)粉末成分、亞晶尺寸和微觀應(yīng)變進(jìn)行測(cè)試計(jì)算，用以表征碳化鎢粉末晶粒大小、結(jié)晶完整性。對(duì)試樣的平均亞晶尺寸及微觀應(yīng)變可按式(2)和式(3)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表4，成分檢測(cè)見圖3。結(jié)果顯示，球磨法有較大的亞晶尺寸和較小的微觀應(yīng)變，而氣流粉碎分級(jí)的亞晶尺寸明顯下降，與球磨相比下降幅度超過50%；微觀應(yīng)變則明顯增加，幅度超過100%。在相同粉碎方法中，球磨時(shí)間延長(zhǎng)對(duì)亞晶尺寸及微觀應(yīng)變的影響較小而氣流粉碎分級(jí)隨分級(jí)輪轉(zhuǎn)速提高亞晶尺寸下降和微觀應(yīng)變?cè)黾佣驾^顯著，說明氣流粉碎分級(jí)破壞了多數(shù)團(tuán)聚顆粒，形成了大量的一次粒子和新的表面，因粉碎能量大也使碳化鎢顆粒在碎裂過程中產(chǎn)生較多的應(yīng)變能。從圖3看四個(gè)樣品都是純碳化鎢，衍射峰高呈現(xiàn)規(guī)律變化，即球磨樣品的衍射峰高于氣流粉碎分級(jí)；延長(zhǎng)球磨時(shí)間衍射峰高下降，加大分級(jí)輪轉(zhuǎn)速衍射峰高下降；這說明粉末經(jīng)過氣流分散后粒度下降的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生更多應(yīng)變，導(dǎo)致衍射強(qiáng)度下降，衍射峰高下降，半高寬增加。

圖2 不同粉碎方式粉末的SEM

式中：D為平均亞晶尺寸，n m；K為常數(shù)，一般取K=1；λ為X射線波長(zhǎng)，nm；β—試樣的半高寬，單位rad；θ—半衍射角，單位rad；ε—微觀應(yīng)變，用百分?jǐn)?shù)表示。

表4 粉末的亞晶尺寸和應(yīng)變

2.5 合金制備

四個(gè)樣品在相同工藝條件下分別制備成含鈷8%的合金標(biāo)樣后，檢測(cè)其基本性能，結(jié)果見表5，金相見圖4?？梢钥闯龊辖鸬钠骄ЯｋS粉末粒度下降而下降，磁力、硬度和強(qiáng)度則增加，但其變化的幅度遠(yuǎn)小于粉末的粒度變化。說明碳化鎢粉碎方式對(duì)粉末的性能影響更明顯，而對(duì)合金的基本性能有一定影響，高速度分級(jí)后合金性能向更優(yōu)的方向發(fā)展。合金的金相則有更明顯的區(qū)別，采用氣流粉碎分級(jí)的樣品晶粒更均勻，無5μm以上的大晶粒，而球磨法中3小時(shí)球磨的樣品有10μm的大晶粒，6小時(shí)球磨有5-7μm的大晶粒，高速粉碎分級(jí)的樣品晶粒最均勻，未出現(xiàn)大晶粒。

圖3 不同粉碎方式碳化鎢粉末的XRD

表5 1430℃氫氣燒結(jié)合金性能

圖4 不同粉碎方式樣品合金金相

3 結(jié)論

(1)碳化鎢粒度受粉碎方式的影響，氣流粉碎分級(jí)法可以生產(chǎn)粒度更小、比表面積更高的碳化鎢粉。

(2)采用氣流粉碎分級(jí)法可以使粉末的激光粒度分布更加集中，其徑距會(huì)變小，粉末的均勻性更好。

(3)粉末的微觀應(yīng)變和亞晶尺寸也受粉碎方式的影響，氣流粉碎分級(jí)比球磨法生產(chǎn)的碳化鎢微觀應(yīng)變度增加，亞晶尺寸下降。

(4)采用氣流粉碎分級(jí)方式制備的細(xì)碳化鎢具有高度分散，松裝密度大的特性。

(5)兩種粉碎方式的合金在性能指標(biāo)上有差異，在晶粒均勻性上區(qū)別更明顯，氣流粉碎分級(jí)方式制備的合金質(zhì)量更優(yōu)。